Auto a idrogeno e diffusione di massa - Prospettive e limiti

[Net Flier]

Grazie Net!

P.S.: è Nucarote che sale (salirebbe, al momento non siamo ancora sicuri di riuscire a venire) con me.

[Matteo B.]

jeby. ok, grandi progressi sul FV...e.di notte per andare a fare il rave .....come riempi le batterie di elettricità da f. rinnovabile?

o lo fai con una centrale atomica(rinnovabile...ecologica:lol:) stile springfield che va anche di notte o ti serve un cazzo di magazzino di energia....APPUNTO....

come si fa il pieno (che è 2,5 ore) alla tesla DI NOTTE da rinnovabili?

solo se c'è vento lo fai....

Modificato 22 Ottobre 2008 da Matteo B.

[Dodicicilindri]

Molto ben fatto:

http://www.enea.it/com/web/pubblicazioni/Op23.pdf

fonte ENEA.

Conferma ciò che ho detto.

Modificato 22 Ottobre 2008 da Dodicicilindri

[Matteo B.]

Molto ben fatto:

http://www.enea.it/com/web/pubblicazioni/Op23.pdf

fonte ENEA.

Conferma ciò che ho detto.

Modificato 22 Ottobre 2008 da Matteo B.

[Net Flier]

leggendo buona parte del documento, non mi convincono diversi passaggi:

-parlano di batterie e bombole come se fosse oggi, in realtà non è nemmeno tra dieci anni

-si parla di produzione, ma non si capisce come viene prodotto..reforming che significa nella realtà? lo brucio? lo inalo?

-ci si dimentica che broda e nafta avranno sempre un ruolo primario, poiché è una tecnologia consolidata ed affidabile, quindi il loro uso ci sarà sempre

l'unica difficoltà reale da assorbire in tempi brevi è la qualità del prodotto, ovvero la sua durata nel tempo senza grossi problemi di manutenzione

io devo poter girare la chiave e salutare tutti e sapere che mi fermerò quando la rigiro, non quando si guasta, altrimenti tanto meglio continuare sulla strada della riduzione dei consumi dei motori endotermici

la mia previsione è che il diesel manterrà al sua quota (quella reale, ovvero attorno al 40% del parco circolante) proprio per i suoi consumi ridotti rispetto ad un omologo a benzina..poco fa che le prestazioni siano leggermente inferiori..

chiaro è che abbinare un motore a benza ad un elettrico è più semplice da gestire (niente candelette, ecc ecc)

[Dodicicilindri]

Cito dal documento:

A fronte di queste qualità energetiche e soprattutto ambientali, tuttavia l’introduzione dell’idrogeno come combustibile - e più in generale come vettore energetico - richiede che siano messe a punto le tecnologie necessarie per agevolare la produzione, il trasporto, l’accumulo e l’utilizzo. A titolo di esempio, solo per la liquefazione a -253 °C occorrono particolari tecnologie oltre che la predisposizione di speciali container per il trasporto

La produzione da fonti fossili, però, ha l’inconveniente di dar luogo - come prodotto di scarto - alla emissione di grandi quantità di CO2, cosicché l’idrogeno - pur utilizzabile in modo pulito - non è comunque incolpevole a causa dell’inquinamento prodotto nel ciclo di lavorazione.

Nella produzione di idrogeno a partire da biomasse nessuno dei processi proposti ha ancora raggiunto

la maturità industriale. Le diverse alternative (gassificazione; pirolisi e successivo reforming della frazione liquida prodotta; produzione di etanolo e reforming dello stesso; produzione biologica attraverso processi basati su fenomeni di fotosintesi o di fermentazione) richiedono tutte un impegno notevole di ricerca, sviluppo e dimostrazione, anche se a livelli diversi

Il problema (dell'idrolisi) attualmente è il costo. Con l’elettrolisi dell’acqua, infatti, è vero che si può ottenere

idrogeno praticamente puro, ma solo a un prezzo che può diventare economicamente accettabile

in una prospettiva ancora lontana, allorquando le innovazioni tecnologiche potrebbero consentire

un costo estremamente basso dell’energia elettrica, prodotta da fonti rinnovabili (o da nucleare).

Pertanto tale scelta non appare, allo stato attuale delle conoscenze, economicamente ed

energeticamente perseguibile, se non per applicazioni particolari (ad esempio aree remote).

L’idrogeno può essere trasportato e accumulato in forma gassosa, liquida oppure adsorbito su materiali speciali (v. riquadro p. 11); ogni forma presenta aspetti favorevoli e svantaggi e tutte, se pur in gran parte già utilizzate, richiedono significativi sforzi di ricerca e sviluppo per un impiego su larga scala affidabile e economicamente competitivo, come nel caso di una rete adeguata per il rifornimento degli autoveicoli.

I metodi di stoccaggio dipendono dalle applicazioni considerate e sono critici soprattutto per l’impiego a bordo di veicoli, richiedendo una elevata densità di energia. Esistono diverse tecnologie di accumulo dell’idrogeno, le quali comunque devono rispondere a requisiti di efficienza, praticità

ed economicità. Nessuna di queste è ad oggi pienamente soddisfacente; tuttavia nel seguito vengono descritte brevemente quelle più promettenti, facendo riferimento - per semplicità - all’uso come combustibile per automobili, certamente una delle applicazioni più appetibili. Qui

le soluzioni possibili prevedono la compressione del gas, la sua liquefazione e infine l’accumulazione su idruri metallici.

Il modo più semplice ed economico per accumulare idrogeno è di utilizzarlo sotto forma di gas compresso a pressione di 200-250 bar (ed oltre). La tecnologia risulta tuttavia non facilmente proponibile per l’uso a bordo di auto tradizionali, a causa del peso ed ingombro dei serbatoi attualmente

utilizzati, che rappresentano un limite all’autonomia e capacità di carico del veicolo.

L’idrogeno può essere immagazzinato anche in forma liquida ad una temperatura di -253 °C. Per mantenere queste temperature sono stati messi a punto serbatoi criogenici a doppia parete, con un’intercapedine, dove viene fatto il vuoto (serbatoi tipo “dewar”). Questa tecnologia è ormai consolidata in Germania, dove la BMW la utilizza da oltre 15 anni su auto ad idrogeno alimentate con motori a combustione interna.

L’accumulo in forma liquida è forse la tecnologia che oggi meglio soddisfa, da un punto di vista teorico, le esigenze specifiche dell’autotrazione; tuttavia anch’essa presenta dei limiti. A sfavore dell’idrogeno liquido giocano la maggiore complessità del sistema, non solo a bordo del

veicolo ma anche a terra, per la distribuzione ed il rifornimento, ed i maggiori costi ad esso associati. Anche il costo energetico della liquefazione è considerevole, corrispondendo a circa il 30% del contenuto energetico del combustibile, contro un valore compreso tra il 4% ed il 7%

per l’idrogeno compresso.

[Matteo B.]

porca miseria...cribbio

LO SO ANCH'iO CHE OGGI non è conveniente ......che COSTA una cifra...

ma se anche (come spero) svilupperemo ENORMEMENTE la tecnologia FV ci servirà un MAGAZZINO di energia...

e non possono essere le batterie......l'h2 è la strada......

l'auto elettrica di notte dalle rinnovabili non la caricherai MAI......

cmq mazda ha annuciato entro il 2011 un vettura ad h2 GASSOSO da 400 km di autonomia...vedremo come sarà messa l'auto elettrica...

[Dodicicilindri]

porca miseria...cribbio

LO SO ANCH'iO CHE OGGI non è conveniente ......che COSTA una cifra...

ma se anche (come spero) svilupperemo ENORMEMENTE la tecnologia FV ci servirà un MAGAZZINO di energia...

e non possono essere le batterie......l'h2 è la strada......

l'auto elettrica di notte dalle rinnovabili non la caricherai MAI......

[Dodicicilindri]

Matteo, leggi:

http://www.uiga.it/public/Metti%20una%20bufala%20nel%20motore.pdf

[Dodicicilindri]

Scusatemi per i post multipli, ma ritengo più ordinato il discorso in questo modo.

Posto un articolo (invero un po' datato, è di fine 2004) preso da omniauto:

IDROGENO: energia per il futuro

1) generalità e produzione

Lo spunto per questo dossier è nato assistendo ad H2–Roma, un seminario organizzato da ENEA, ITAE-CNR e l'Università La Sapienza, con la collaborazione di alcune tra le maggiori case automobilistiche. Sotto il motto "Cultura dell'Energia", ricercatori ed ingegneri hanno fatto il punto sulle tecnologie attuali e sulle prospettive a medio/lungo termine per quello che sarà il principale vettore energetico di domani: l'Idrogeno.

Prima di fare il punto sulle tecnologie applicate alla mobilità, che pubblicheremo nei prossimi capitoli di questo dossier, cerchiamo di far conoscenza con questo "magico" elemento.

GENERALITA'

L'idrogeno, il cui simbolo chimico è "H", è l'elemento più leggero in natura. Il suo atomo è costituito da un protone, un elettrone ed un neutrone: il minimo indispensabile per essere definito "stabile", dal punto di vista atomico. Paradossalmente, seppur si tratti del più semplice e diffuso elemento disponibile, l'atomo di idrogeno non esiste in natura allo stato libero ma deve essere estratto, partendo da molecole disponibili che lo contengono. E sono un'infinità.

Sintetizzare idrogeno da una delle tante sostanze che lo contengono, richiede l'utilizzo di una certa quantità di energia, necessaria per rompere i legami molecolari e darci il singolo atomo puro. La sua naturale indisponibilità, quindi, ne fa non una fonte di energia (come il petrolio, ad esempio), bensì, come detto prima, un "vettore energetico", un agente il cui solo scopo è quello di immagazzinare l'energia utilizzata durante la sua stessa "estrazione" per renderla disponibile in un punto diverso dello spazio e del tempo, sotto altre forme. Questo suo grande difetto è in realtà, a detta del Professor Orecchini, dell'Università La Sapienza, "il suo più grande pregio"... se non altro, perché ci ha indotti a non sfruttarlo incoscientemente, come facciamo con petrolio e gas naturale, spingendoci ad una ricerca approfondita ed ecologicamente "sostenibile".

Alla base dell'immagine "magica" di quest'elemento – perlomeno, agli occhi incantanti del grande pubblico – ci sono le sue caratteristiche di ottimo combustibile (a parità di peso, la sua combustione rende il triplo rispetto al petrolio), unitamente alla particolarità, propria della molecola di idrogeno (formata da due atomi e, quindi, dal simbolo H2) di essere, con un atomo di ossigeno (O), il costituente dell'acqua (H2O).

La "magia", ovviamente, non si esaurisce qui.

La combustione, lo ricordiamo, è una reazione chimica generata dall'unione – a determinate condizioni – di due sostanze dette "combustibile" e "comburente". Nel nostro caso, combustibile e comburente sono, rispettivamente, idrogeno e ossigeno, appunto i componenti costituenti l'acqua. Questo ragionamento ci conduce ad un sillogismo di cui Pitagora ne andrebbe fiero:

- ipotizziamo che fosse possibile produrre idrogeno partendo dall'acqua;

- allo stesso modo, immaginiamo che fosse realizzabile la produzione dell'idrogeno direttamente a bordo del veicolo.

- Ne conseguirebbero vetture che, alla pompa immagazzinerebbero nient'altro che acqua e che, allo scarico, come prodotto della combustione, non emetterebbero nient'altro che... Acqua!

E' un ciclo ad alta efficienza in cui, il prodotto di scarico, può essere nuovamente utilizzato per produrre altro combustibile. Non è fantascienza, fidatevi... Gli avvezzi alla dietrologia, non stiano ad elaborare teorie sul perché questa tecnologia non sia ancora disponibile, potrebbe arrivarci chiunque; però, non bisogna dimenticare che ci sono degli scogli di non poco conto, relativi, anzitutto, alla produzione stessa del "prezioso" idrogeno.

LA PRODUZIONE

Sappiamo, dunque, che in natura, l'idrogeno esiste soltanto legato ad altri elementi. Darne un elenco completo sarebbe assurdo. Basta immaginare che, oltre all'acqua, contengono idrogeno, innanzitutto, gli idrocarburi, composti chimici formati da catene di idrogeno e carbonio tra cui sono da annoverare il petrolio e tutti i suoi derivati, in secondo luogo, c'è idrogeno negli idruri, negli acidi, nell'ammoniaca e in un incredibile varietà di composti organici, compresi i nostri bei "rotolini di ciccia". Insomma, è dappertutto: il Sole è fatto al 90% di idrogeno e si stima che costituisca i ¾ della materia esistente in tutto l'Universo.

Attualmente, la produzione di idrogeno utilizza essenzialmente procedimenti termochimici applicati agli idrocarburi. Inoltre, si ottiene idrogeno attraverso la pirolisi e la gassificazione del carbone. In ogni caso, è impensabile parlare di "sviluppo sostenibile" ed "energia pulita" con gli attuali metodi produttivi (con i quali si ottengono 600 miliardi di metri cubi/anno per usi industriali), legati a fonti di energia primaria di origine fossile.

Il futuro è in altri processi: lo sfruttamento delle biomasse e l'elettrolisi.

Riguardo alle biomasse, il sistema poco efficace, ma, nell'ipotesi peggiore, potrebbe comunque sostituire il 15% del carburante attualmente utilizzato per i trasporti.

Maggiori promesse le riserva, invece, l'elettrolisi.

Per chi non lo ricordasse, si tratta di un procedimento semplice semplice per mezzo del quale si ottengono idrogeno e ossigeno dall'acqua. Si immergono in un bagno d'acqua due elettrodi e si applica tra i due una corrente elettrica: gli atomi di idrogeno, ionizzati, si raccolgono nei pressi del polo negativo (catodo), mentre gli ioni di ossigeno si comportano in modo diametralmente opposto. Il risultato è idrogeno e ossigeno puri, in forma gassosa.

La corrente elettrica è necessaria per rompere i legami molecolari dell'acqua e separare i due elementi.

La necessità di usufruire di energia elettrica per la produzione "pulita" del nostro vettore energetico, implica una serie di difficoltà che esulano dalla diatriba puramente tecnica, abbracciando tematiche relative alle infrastrutture. Ragionando in termini ecologici, non si può ottenere idrogeno sfruttando l'energia fornita da centrali termoelettriche di tipo tradizionale, che bruciano combustibili fossili.

Dobbiamo guardarci intorno: l'energia eolica, quella idroelettrica, la potenza delle maree e, soprattutto, il fotovoltaico. In pratica, più che "intorno", dovremmo guardarci "in alto".

Il Sole ci fornisce ogni ora circa 1,1 miliardi di terawatt/ora. Ragionando in kilowatt, ogni ora il nostro Astro ce ne regale ben 1,1 miliardi di miliardi. Il solo irraggiamento solare è dunque sufficiente, teoria, a soddisfare un consumo di energia pari a circa 10 mila volte il consumo di tutti gli abitanti della terra, su scala annuale! Oggi, in un'epoca in cui i satelliti in orbita sono capaci di leggere le targhe delle auto, non siamo ancora in grado di sfruttare quest'autentico dono della Natura e c'è chi, dall'alto della sua autorità di governatore della Nazione più potente del Mondo, ha più volte dichiarato l'impossibilita di ridurre le emissioni di ossidi di carbonio in quanto direttamente legati allo sviluppo economico di proprio Paese. Pensiamoci un po' su... ogni tanto.

Lo sfruttamento dell'energia solare ai fini elettrici passa attraverso il fotovoltaico e gli specchi parabolici.

Il primo sistema, sfrutta direttamente l'interazione dei fotoni con particolari elementi chimici, disposti "a sandwich", costituenti la cella fotovoltatica. Alle estremità della cella, si crea, nel momento in cui interagisce con i fotoni, una corrente elettrica. Più celle, in serie, costituiscono un pannello solare. Purtroppo il rendimento del fotovoltaico non è ancora sufficientemente vantaggioso e le poche centrali operative occupano superfici enormi, in relazione a quanto prodotto.

Il sistema che, a breve termine, sembra offrire le chanches migliori è quello a specchi parabolici, in cui la luce solare viene convertita in energia termica la quale riscalda un particolare olio che, passando in uno scambiatore di calore, fa evaporare l'acqua utilizzata in una turbina a vapore collegata ad un generatore. In questo caso, nonostante i numerosi passaggi, e le relative perdite, è possibile produrre energia elettrica vantaggiosamente. Purtroppo, anche questa tecnologia non va molto oltre lo sperimentale e, la più grande centrale in funzione, in California, è sufficiente ad alimentare una comunità di 200.000 abitanti (e a risparmiare all'atmosfera ben 18 milioni di tonnellate di anidride carbonica).

Se questa tecnologia fosse impiegata su scala mondiale, la sola Europa potrebbe produrre 1.400 terawatt/ora, a cui potrebbero esserne aggiunti altri 600, realizzati col fotovoltaico e 2150 ottenuti mediante tecnologia eolica. In totale, sarebbero 4150 terawatt/ora di energia pulita. E pensare che attualmente ne consumiamo, in tutto, appena 2500...

2) stoccaggio e distribuzione

Nel capitolo precedente abbiamo preso contatto con la natura dell'idrogeno e con i problemi legati alla scissione dello stesso dalle sostanze cui è legato in natura. Abbiamo altresì capito che, con gli attuali sistemi di produzione dell'energia elettrica - ancora in gran parte legati all'utilizzo di combustibili fossili - passare all'idrogeno equivale, nell'ottica di uno sviluppo sostenibile e, aggiungiamo, di un'economia "moderna", ad un'elegantissima presa in giro. Quindi, in primis, prima di poter utilizzare su larga scala l'idrogeno come vettore energetico, è importante una profonda rivoluzione nelle metodologie di produzione dell'energia elettrica, e questo richiederà ancora anni di lavoro.

Ora cerchiamo di far conoscenza con un altro aspetto importante della diffusione su larga scala dell'idrogeno: lo stoccaggio e la distribuzione.

A temperatura e pressione ambientale, l'idrogeno puro ha le caratteristiche di un gas. Purtroppo, ha una densità scarsissima: in condizioni standard (0° C e 1013mbar di pressione), mentre la benzina ha una densità superiore ai 710 kg/m3, l'idrogeno ottiene un magro 0,09 kg/m3. Per ulteriore raffronto, il metano, per il quale lo stoccaggio in auto è già relativamente critico, ha una densità di 0,72 kg/m3. Per comprendere al meglio le difficoltà di stoccaggio, questi dati vanno integrati con quelli sul potere calorifico. Per unità di massa, ovvero un kg, l'idrogeno sviluppa ben 120 MJ, contro i 43,5 della benzina e i 50 del metano. Questo significa che un chilo di idrogeno sviluppa tre volte l'energia di un chilo di benzina. Ma non è ancora finita: a causa della sua densità, a condizioni standard un m3 di idrogeno si traduce in appena 2,97 MJ dove la benzina ne sviluppa 31000 e il metano 3,22.

In conclusione, l'idrogeno per essere utilizzato deve essere immagazzinato in modo tale da aumentarne considerevolmente la densità.

Chi ha un minimo di nozioni di fisica sa che, per aumentare la densità di un gas, o si aumenta la pressione, o si diminuisce la temperatura. Per l'idrogeno esiste anche una terza via, derivata dalla sua capacità a legarsi con altre sostanze: l'assorbimento in materiali solidi. Le tre soluzioni hanno tutte un risvolto più o meno negativo.

STOCCAGGIO allo stato gassoso

L'immagazzinamento in forma gassosa, ad alta pressione, necessita di bombole capaci di sopportare pressioni di esercizio nell'ordine dei 700 bar (ca. 10145 psi). Per dare un'idea, gli attuali serbatoi di metano per autotrazione, realizzati in lamiera d'acciaio, hanno pressioni di esercizio pari a 220 bar e, con una capacità di 85 litri - che equivalgono a circa 14-15 kg di metano immagazzinati - pesano quasi un quintale.

Questo vuol dire che, per realizzare bombole capaci di lavorare in sicurezza a 700 bar, siamo obbligati a rivolgerci a materiali compositi: attualmente sono allo studio speciali resine rinforzate con fibre di carbonio.

Superato lo scoglio del peso e della robustezza dei serbatoi, l'immagazzinamento in forma gassosa deve scontrarsi con un altro grave handicap: l'effetto psicologico. Ancora oggi, a sessant'anni dagli albori della motorizzazione a metano, c'è chi si spaventa nel vedere nel bagagliaio i serbatoi del gas... figuratevi se, questi stessi soggetti, sapessero di viaggiare su un'auto che trasporta bombole a 700 bar di pressione. Fondamentalmente, la paura è comprensibile, ma nessun ente governativo omologherebbe mai bombole a rischio esplosione e i moderni serbatoi di metano (e GPL) ne sono la prova: in caso di incidente sono più sicuri di un serbatoio di benzina e, in caso di incendio, opportune pastiglie inserite nella lamiera del serbatoio, fondono gradatamente generando la fuoriuscita controllata del gas. Quindi, ogni rischio d'esplosione è totalmente scongiurato.

Attualmente sono in fase di omologazione, presso gli enti europei e americani, serbatoi da 690 bar realizzati in acciaio, mentre, in attesa di approvazione sono le bombole in compositi.

STOCCAGGIO allo stato liquido

Lo stoccaggio allo stato liquido è quello che promette il miglior rendimento, ma incontra i maggiori ostacoli tecnologici. L'idrogeno, infatti, evapora a -253° C, il che vuol dire che, per mantenerlo allo stato liquido, è necessario stivarlo a temperature inferiori. Una temperatura del genere, è un traguardo non indifferente, visto che è appena 20° C sopra il cosiddetto "zero assoluto", il limite minimo di temperatura raggiungibile in natura, al disotto del quale ogni atomo, in pratica, "congelerebbe".

Conservare l'idrogeno a temperature di quest'ordine, dette criogeniche, implica la realizzazione di una bombola dalla particolare conformazione, non molto diverso da un thermos: due serbatoi separati da una camera d'aria, magari rarefatta o, addirittura, sottovuoto. Questo, in generale.

Nello specifico, nei serbatoi criogenici per idrogeno c'è una camera interna, destinata a contenere il carburante, attorno alla quale è avvolta una serpentina, in cui circola idrogeno, in comunicazione, da un lato con la bombola e, dall'altro, con un apposito scambiatore di calore con l'aria esterna. La serpentina, a sua volta, è contenuta all'interno di un involucro, il più esterno.

La massima pressione all'interno del serbatoio, con le tecnologie attuali, si attesta intorno ai 5 – 6 bar. Siccome lo stato liquido, per l'idrogeno, non è stabile (vista la bassissima temperatura di ebollizione) per mantenerlo è necessario sottrargli calore, il che implica il consumo di una certa quantità di energia. In questo caso il consumo energetico, si identifica con una continua e controllata evaporazione dal serbatoio, ottenuta mediante lo scambiatore di calore. I sistemi più evoluti, con bombole dal peso inferiore ai 90 kg, promettono di lavorare a 6 bar di pressione massima, limite oltre il quale danno origine all'evaporazione. Prima di superare la pressione di esercizio, questi serbatoi riescono a conservare idrogeno liquido per circa tre giorni.

Il rendimento, che uno stoccaggio di questo tipo garantisce, è elevatissimo: per fare un raffronto, ottenere la stessa densità di energia in caso di serbatoi ad alta pressione, sarebbero necessarie bombole capaci di lavorare a ben 1250 bar.

Una via intermedia, è quella dei serbatoi ibridi, in cui l'idrogeno, incamerato allo stato liquido, è libero di evaporare fino a livelli di pressione elevati. Tuttavia, per applicazioni del genere, si stanno ancora studiando opportuni sistemi di sicurezza.

STOCCAGGIO in materiali solidi

Immagazzinare idrogeno in materiali solidi, invece, è il sistema meno sviluppato e meno efficace, da un punto di vista pratico. Tale processo utilizza gli idruri metallici, che sono delle leghe che hanno la capacità di immagazzinare idrogeno e di rilasciarlo, in un secondo momento, a particolari condizioni.

Attualmente, la capacità di stoccaggio non supera il 2% del peso del serbatoio stesso e, ai fini della mobilità, si tratta di un risultato irrilevante. Il magnesio è l'unico metallo che promette una capacità di assorbimento maggiore, ma si tratta sempre di livelli prossimi al 7% e a condizione che si mantengano temperature superiori ai 250° C che, in altri termini, vuol dire spreco d'energia.

L'ultima frontiera, relativamente al rilascio di idrogeno in forma gassosa da materiali solidi, è rappresentata dal Fullerene, la molecola di forma sferica, costituita da atomi di carbonio. Il Fullerene è capace di creare "nanotubi" in grado di contenere idrogeno, ma qui siamo nel campo della ricerca pura e, comunque, entro capacità di assorbimento nell'ordine del 6% della massa.

Un alternativa agli idruri metallici è rappresentata dagli idruri chimici, in cui l'idrogeno viene scisso dall'idruro mediante una reazione chimica. Si tratta, però, di sistemi che operano in abbinamento alle fuel-cell (di cui parleremo nel prossimo capitolo) e, come quelli appena menzionati, ancora relegati alla sperimentazione pura e ben lontani da applicazioni pratiche.

DISTRIBUZIONE

Scartati, quindi, i sistemi di stoccaggio in materiali solidi, concentriamoci sulla distribuzione per l'immagazzinamento ad alta pressione e a temperatura criogenica.

L'ideale sarebbe creare una rete per la distribuzione dell'idrogeno. Cosa non facile se guardiamo un precedente, la metanizzazione, iniziata oltre 50 anni fa e, oggi, ancora in corso in molte zone del Paese (senza contare la Sardegna che ne è pressoché priva).

Lo sguardo dei ricercatori, quindi, è indirizzato sulla produzione in loco, ovviamente mediante elettrolisi, scartando il reforming da combustibili fossili (saremo al punto di partenza) e l'utilizzo di etanolo o metano di derivazione biologica, sistemi in avanzata fase di sviluppo e per i quali ci sono già le prime applicazioni pratiche ma che, comunque, genererebbero durante la scissione delle molecole, ossidi di carbonio.

Una volta prodotto, l'idrogeno dovrebbe essere distribuito in apposite stazioni "multifuel", capaci di erogare più tipologie di carburante nella stessa area. Nel caso di serbatoi ad alta pressione, l'idrogeno sarebbe pompato da un compressore con un processo analogo a quanto si fa col metano, cambierebbero solo le pressioni in gioco.

Più complesso il rifornimento di idrogeno a temperatura criogenica. Infatti, in seguito alla produzione, l'idrogeno gassoso deve essere raffreddato per poter essere pompato, allo stesso modo di un rifornimento di benzina, nel serbatoio. La probabile presenza di idrogeno gassoso, in un serbatoio criogenico vuoto, implica la necessita di sigillare il contatto tra pompa e bocchettone di rifornimento in modo tale che, il gas si condensi sull'idrogeno liquido inserito, e non causi inutili perdite di combustibile.

3) Le possibili applicazioni

Dopo aver preso contatto con natura e produzione, e le modalità di stoccaggio e distibuzione dell'idrogeno, vediamone le applicazioni pratiche relative all'autotrazione. Insomma, cerchiamo di capire come usarlo.

Le tipologie di sfruttamento dell'idrogeno sono essenzialmente due: la prima prevede la combustione in normali motori endotermici, mentre la seconda è un po' più raffinata e ne prevede l'utilizzo in particolari apparati, chiamati celle a combustibile (fuel cell), in cui avviene la conversione di idrogeno e ossigeno in energia elettrica.

In entrambi i casi, il prodotto di scarto è, essenzialmente, acqua.

FUEL CELL

Siamo al cospetto di un generatore elettrochimico in grado di produrre energia elettrica, acqua e calore, in modo continuo e a seguito di reazioni chimiche ottenute mediante un gas riducente ed un ossidante. Sono utilizzate in ambito aerospaziale sin dalla fine degli anni Sessanta e oggi trovano larga applicazione anche in ambito militare: l'acqua bevuta dagli astronauti sullo Shuttle è il prodotto di scarto delle fuel cell, mentre, i sottomarini utilizzano generatori a fuel cell perché contribuiscono a ridurre la visibilità degli stessi a rilevatori ad infrarossi.

Fisicamente, una cella è composta da un anodo (polo negativo) ed un catodo (polo positivo), tra i quali è inserito un elemento elettrolita. Il gas riducente, in questo caso l'idrogeno, viene pompato verso l'anodo, mentre l'ossidante – l'ossigeno – viene convogliato al polo opposto.

Vediamo, di seguito, l'ipotetica reazione di un atomo di idrogeno con l'ossigeno presente nell'aria (per capirne il funzionamento, dobbiamo ricordarci che un atomo di idrogeno è composto da un protone, un neutrone ed un elettrone e che ogni molecola contiene due atomi).

Generazione

• Un H2 (molecola di idrogeno) viene convogliato verso l'anodo, contemporaneamente, un O2 (molecola di ossigeno) viene inviato al catodo. La membrana elettrolitica presente tra i due, permette il passaggio dei soli protoni dall'anodo al catodo. In altre parole, un H2 si trasforma in 2H+, ovvero due ioni di idrogeno, e in 2e-, due elettroni;

• I 2H+ migrano, attraverso l'elettrolita, in direzione del catodo, mentre i 2e- si raccolgono attorno all'anodo, generando una corrente elettrica. Anodo e catodo sono collegati da un conduttore e i 2e-, quindi, si spostano naturalmente verso il catodo, dove si completa la reazione;

• Grazie ad un catalizzatore che, ricordiamo, è un elemento deputato ad accelerare determinati processi chimici, i 2H+ e i 2e- reagiscono con ½ O2, generando a valle del catodo una molecola, H20, ovvero acqua, mentre il passaggio dei 2H+ attraverso l'elettrolita, produce calore. Il calore, infatti, è il secondo prodotto di scarto della fuel cell. Siccome, ovviamente il flusso di atomi è continuo, la corrente elettrica che si crea può essere utilizzata, da cui l'utilità della cella in quanto generatore di corrente elettrica.

Ogni singola cella produce circa 0.6 Volt e, per ottenere una potenza accettabile, si utilizzano stack composti da numerose celle collegate in serie.

Il processo esemplificato è relativo ad una cella a combustibile di tipo PEM, ovvero, con membrana polimerica a scambio protonico, che prevede il passaggio dei soli ioni di idrogeno. Le PEM FC, sono le celle a combustibile il cui stato di sviluppo è cresciuto maggiormente negli ultimi anni e sono, praticamente, prossime all'industrializzazione su larga scala, processo che ne abbatterà decisamente il costo.

Attualmente, una cella di questo tipo lavora in un intervallo di temperature compreso tra i 70 e 100 °C e i catalizzatori utilizzano una discreta quantità di platino: due caratteristiche che contribuiscono a limitarne l'efficacia e a mantenerne elevato il prezzo. Tuttavia, in futuro non è escluso il ricorso a nuovi catalizzatori e a materiali innovativi, che miglioreranno la situazione dal punto di vista dei costi e dell'efficienza. Gli obiettivi, in ambito automobilistico, sono finalizzati all'ottenimento di PEM FC dal costo variabile tra i 50 e i 100 Euro/kW, con una garanzia di 5000/7000 ore di funzionamento, corrispondenti circa a 100/150 mila km. Oggettivamente, si tratta di un traguardo non elevatissimo che acquista (notevole) valore solo se lo si esamina nel contesto di una tecnologia ancora in gran parte sperimentale.

Oltre alla fuel cell di tipo PEM, esistono altri tipi di celle, che prevedono l'utilizzo di elettroliti con Acido Fosforico (PA FC), Carbonati di Litio e Potassio (MC FC), Ossidi Solidi (SO FC), Alcalini (A FC) e Metanolo (DM FC).

Come già accennato, il maggior inconveniente delle fuel cell, risiede nelle temperature di esercizio. Tutte lavorano entro range ben determinati, (le SO FC raggiungono anche i 1000 °C) e perdono progressivamente efficacia, al variare della temperatura ambientale: climi estremamente caldi o freddi ne limitano notevolmente l'efficienza fino, in alcuni casi, a bloccarne il processo (se non si ricorre ad appositi dispositivi di riscaldamento o dissipatori di calore, a seconda delle situazioni): ad esempio, a bassa temperatura, si riduce la permeabilità delle membrane elettrolitiche e aumenta la resistenza al passaggio della corrente elettrica; inoltre, quando si è sotto lo zero, l'acqua tende a congelare a valle del polo positivo, non può più essere espulsa e si rischia, letteralmente, di "annegare" la cella, bloccando il ciclo di funzionamento della cella stessa.

APPLICAZIONI DELLE FUEL CELL

Le applicazioni delle FC si traducono essenzialmente nella sostituzione degli accumulatori, e dei bruciatori per il riscaldamento dell'abitacolo, su vetture a propulsione elettrica. La ricerca delle case automobilistice in ambito fuel cell è certamente quella che vede impegnati il maggior numero di costruttori.

Fiat

Dedichiamo l'apertura della rassegna relativa alle applicazioni al costruttore di casa nostra. In ambito internazionale, infatti, l'Italia è rappresentata dai prototipi Fiat su base Seicento (il primo, a due posti, realizzato su meccanica Seicento Elettra, e il secondo ben più realistico, con meccanica realizzata ex novo, quattro posti e circa 120 km di autonomia) e la ricerca continua con applicazioni sulla Panda.

In questo caso, c'è un notevole salto di qualità rispetto alla vetusta Seicento. Il sistema è alimentato da idrogeno e aria compressa. L'idrogeno è stivato in due serbatoi da 350 bar in materiali compositi, attualmente non ancora previsti dalle nostre norme di omologazione, uno situato sotto il tunnel centrale ed un altro sotto la panchetta posteriore, in modo da preservare le doti di abitabilità dell'utilitaria torinese. Interessanti le prestazioni. Il sistema eroga 40 kW e permette alla Panda di raggiungere i 130 orari di velocità massima e un'accelerazione da 0 a 50 km/h in meno di 7 secondi. L'autonomia è nell'ordine dei 220 km.

General Motors

GM, ha un programma decisamente ben delineato, che prevede la produzione in serie di veicoli alimentati a fuel cell a partire dal 2010. L'ultimo prototipo realizzato è su base Zafira, la GM Hydrogen3, che utilizza uno schema abbastanza semplice, con serbatoio ad alta pressione (690 bar) e fuel cell stack di tipo PEM, funzionante a 80/90 °C. L'efficienza è garantita fino a -20 °C (in cui il sistema è operativo in 30"), è la vettura raggiunge i 160 km/h di velocità massima, grazie ai 60 kW erogati dal motore (lo stack di FC produce 94 kW).

In ambito GM, però, le maggiori innovazioni sono introdotte dal S-10, un pick-up alimentato a fuel cell, dotato di impianto di reforming, in grado di produrre idrogeno dalla benzina aggirando, quindi, limiti derivati da una rete distributiva inesistente. Permane, tuttavia, in quest'ambito, quanto detto nel primo capitolo, ovvero la fondamentale inutilità di un sistema di questo tipo, ragionando in termini di emissioni zero (in questo caso è prodotta anche una certa quantità anidride carbonica) e nell'ottica di un'economia "no-oil", totalmente svincolata dal legame con i combustibili fossili.

Daimler-Chrysler

Oltre ai famosissimi prototipi "NeCar", da circa un decennio protagonisti tra i veicoli alimentati a fuel-cell, il gruppo Daimler-Chrysler utilizza la tecnologia del reforming sul prototipo Jeep Commander. Si tratta di un particolare tipo di reforming che richiede, all'avvio, una certa quantità di calore. Impiegati, in questo caso, sono il metanolo e l'acqua, che devono essere utilizzati allo stato gassoso (si parla di Steam Reforming). Permangono i problemi relativi alla complessità del sistema e alla produzione di anidride carbonica.

Ford

Anche la Ford ha realizzato la sue ibride sperimentali a fuel cell. Si tratta di vetture su base Focus (in versione USA), le Focus FCEV, che utilizzano uno stack di celle che opera in concomitanza con un pacco di batterie ausiliarie, per migliorare le prestazioni offerte dalle celle.

Honda e Toyota

Più avanti, rispetto ai colossi euro-americani, sono i giapponesi. La ricerca Honda, ad esempio, in appena cinque anni ha prodotto il veicolo FCX. Dotato della tecnologia più semplice: serbatoio ad alta pressione (345 bar) e fuel cell. La novità risiede nella maggiore efficacia delle celle di tipo PEM, operanti senza problemi a temperature ambientali comprese tra i -20 e i 90 °C, e nella gestione dell'energia, che prevede dei particolari condensatori per fornire i picchi energetici necessari alle accelerazioni (dove gli altri costruttori prevedono un pacco di accumulatori ausiliari). Prestazioni di rilievo: 150 km/h di punta velocistica e 395 km di autonomia sul ciclo misto americano. Due flotte, composte da tre FCX ciascuna, sono operative in Giappone e in USA. Proibitivi, ancora, i costi: 10.000 USD al mese per veicolo, con contratto di leasing (compresa l'assistenza).

A livelli omologhi opera la Toyota, che ha realizzato il suo FCHV su base Higlander, un grosso SUV. Minore, in questo caso, l'efficienza delle celle, operanti a temperature comprese tra 0 e 40 °C e, per questo, bisognose di un sistema di raffreddamento. Vista la criticità dell'avviamento delle celle a temperature sotto lo zero, il Toyota FCHV prevede un pacco di batterie ausiliarie, di derivazione Prius, per garantire l'avviamento in ogni condizione. L'idrogeno è stivato anche qui in serbatoi da 345 bar. Vista la mole del veicolo, di rilievo le prestazioni, con 155 orari di velocità raggiungibile e 290 km di autonomia. Le due flotte realizzate, una in Giappone e l'altra in California, dispongono di veicoli noleggiabili allo stesso costo della FCX Honda.

L'IDROGENO NEI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

Questa soluzione è la più semplice e quella più facilmente realizzabile, per l'utilizzo su larga scala dell'idrogeno. Attualmente esistono tutte le tecnologie necessarie per una diffusione capillare delle vetture ad idrogeno di questo tipo. Ci sono tecnologie valide per i serbatoi ad alta pressione e/o criogenici e la conversione all'idrogeno non comporta nessuna variazione sostanziale nel propulsore: è assimilabile ad una trasformazione a gas metano di ultima generazione.

La combustione dell'idrogeno in un motore ad accensione comandata, genera come prodotto di scarico soltanto vapore acqueo e una piccola percentuale di ossidi di azoto, generati dalle trasformazioni indotte all'aria utilizzata per la combustione, dalle alte temperature. Per inciso, gli ossidi di azoto non sono più classificati inquinanti, ormai da tempo. Sono prodotti in grandi quantità nei normali fenomeni elettrici che avvengono in atmosfera. Unico effetto sull'uomo è l'irritazione delle vie respiratorie, se inalati in opportune quantità e determinate concentrazioni, in soggetti predisposti.

L'unico limite nello sviluppo della motorizzazione ad idrogeno, quindi, in questo caso, risiede nelle normative di omologazione (attualmente in molti Stati, i veicoli ad idrogeno non sono omologabili, o non lo sono i sistemi di alimentazione o, ancora, non lo sono i serbatoi criogenici e quelli a pressioni superiori a 220 bar) e nella rete distributiva inesistente, con relativo costo proibitivo del carburante.

Questa tecnologia, stranamente, è stata sempre trascurata dalla maggior parte dei costruttori e solo la BMW è seriamente impegnata, da oltre 25 anni, nello sviluppo di motori endotermici alimentati ad idrogeno.

Dopo la prima serie 5 ad idrogeno, risalente al 1978, sono state numerose le berline bavaresi ad emettere acqua allo scarico. La prima flotta, prodotta in condizioni molto simili a quelle della produzione in serie, è stata realizzata nel 2000 con 15 BMW 750hL. Lo sviluppo culminerà con la consegna, nei prossimi anni, delle prime BMW Serie 7 a doppia alimentazione idrogeno/benzina, a personalità di rilievo, per sensibilizzare al massimo l'opinione pubblica su queste tecnologie. Tecnicamente, la casa tedesca ha presentato un prototipo da record, mosso da una specifica unità di V12 di sei litri, e stima di poter realizzare, grazia alla combinazione dell'idrogeno con un impianto di alimentazione particolarmente raffinato e il turbocompressore, un propulsore a combustione interna con un livello di efficienza prossimo al 50%: un record.

A corollario di questa tecnologia, pregevole e raffinata che, per le possibilità di essere industrializzata con grande facilità, forse merita maggiori attenzioni rispetto alle celle a combustibile, BMW ha sostituito sulle sue Serie7hL il tradizionale accumulatore (che in quest'ambito diventa un'autentica bomba ecologica), con un piccolo stack di fuel cell, dedicato all'alimentazione di tutti gli apparati elettrici di bordo.

Risultato: il riscaldamento è disponibile anche a motore spento, grazie al calore generato dalla cella, e si ha un risparmio in termini di consumo, pari a circa un litro ogni 100 chilometri.

Come BMW, anche la Mazda, punta all'idrogeno nei motori ad accensione comandata, in questo caso nel Wankel Renesis della RX8, anch'essa dotata di doppia alimentazione, mentre la capogruppo Ford ha presentato qualche mese fa la sua interpretazione del motore a combustione interna alimentato ad idrogeno. Sulla scocca della C-Max, è stato installato un quattro cilindri da 2.3 litri di cilindrata alimentato da ben 3 serbatoi da 350 bar che forniscono al propulsore idrogeno alla pressione di 5,5 bar, ottenuta mediante riduttore. La C-Max a idrogeno riesce a stivare 2,75 kg di gas, sufficienti a percorrere circa 200 km. Interessante il sistema di regolazione della carburazione che, grazie alla possibilità di variare la concentrazione di idrogeno nella miscela da un minimo del 4% fino al 70%, riesce ad ottimizzare le emissioni di ossidi di azoto.

Siamo giunti, dunque, alla fine di questo lungo percorso.

Alla luce di tutto questo, cosa altro dire? Che sicuramente siamo coscienti, con gli attuali ritmi di sviluppo, che per rilevare un timido inizio della motorizzazione ad idrogeno, che ci libererà di tante catene (si spera...), dovremo attendere ancora una decina d'anni; e che, allo stesso modo, dovremmo vergognarci, almeno un po', di sentire ancora quell'insopportabile odore che vien fuori dal serbatoio ogni volta che facciamo il pieno...